将可乐废水衍生有机物升级为生物脱氮的有效碳源

《Bioresource Technology》：Upgrading cola wastewater-derived organics as an effective carbon source in biological denitrification

　　• 可乐废水经升级后用作反硝化碳源• 树脂与UV/H?O?联合预处理降低了磷酸盐负荷并提高了B/C比• 预处理使B/C比从0.22提升至0.56• 预处理废水的硝酸盐去除率达到87.5%–91.5%• 出水COD降低，碳利用效率提高引言有效去除生物废水处理系统中的氮素，关键取决于适宜的碳源供应，这对微生物生长和反硝化至关重要（Hu等，2019；Pelaz等，2018）。然而，许多废水处理厂的进水碳氮比（C/N）较低，导致可用于完全反硝化的碳源不足（Brozin?evi?等，2024；Sun等，2010）。这种失衡往往导致出水总氮（TN）浓度升高，使满足日益严格的排放标准变得困难（Constantin和Fick，1997；Zhao等，2018）。尽管葡萄糖、甲醇、乙醇、蔗糖和乙酸钠等商业碳源被广泛用于解决这一问题，但相关运营成本可占总处理费用的50%以上。因此，开发经济可持续的替代碳源已成为现代废水处理的关键优先事项（Andrade Silva等，2024；Kosgey等，2022；Sanjrani等，2022；Torresi等，2017；Wu等，2023）。受循环经济原则驱动，人们对废弃物衍生碳源作为传统外部碳源替代品的兴趣日益增加（Zhang等，2025）。这些资源来源于城市固体废物、农业残余物和工业副产品（Dai等，2025），可分为固体和液体碳源两大类。由于其来源广泛、成本低廉和操作简便，废弃物衍生碳源已被广泛探索用于生物脱氮系统，据报道可实现废弃物增值，并提供环境效益和经济效益。例如，Volokita等（1996）使用报纸同时作为碳源和生物膜载体处理高硝酸盐废水，在不产生亚硝酸盐积累的情况下实现了完全反硝化，出水化学需氧量（COD）维持在4–10 mg/L。在另一项研究中，Ovez等（2006）报道了在含100 mg/L硝酸盐的水中，甘草和芦苇的去除效率分别为100%和87%，对应的硝酸盐去除速率分别为6.96和4.23 mg/L/d。甘蔗渣（Tangsir等，2017）、园林废弃物（Plüg等，2015）、腐烂香蕉粉（Zhu等，2022）以及木质纤维素材料（如麦秸或锯末）（Zhang等，2017）也报道了相似的反硝化效果。综合来看，这些研究表明固体基质可以长期释放碳源，支持稳定的反硝化性能。除固体碳源外，液态废弃物衍生碳源因其高溶解性、即时生物可利用性和操作简便性而受到越来越多的关注。典型例子包括由食品废弃物、污泥和农业残余物发酵产生的发酵液。这些发酵液富含乙酸和丙酸等易生物降解的短链脂肪酸（Sapmaz等，2022；Zhang等，2016；Zheng等，2018）。Gui等（2021）报道使用餐厨垃圾水解液实现了96%的TN去除率，而Hu等（2020）观察到与乙酸钠相当的反硝化效率。同样，Pan等（2025）表明，由于有机酸浓度高，发酵上清液表现出与传统碳源相似的动力学特征。总体而言，这些发现证实了液态废物流在增强生物脱氮方面的有效性，同时可减少亚硝酸盐积累和温室气体排放（Fang等，2025；Shao等，2019；Zhang等，2024a；Zhao等，2020；Zhu和Chen，2011）。除发酵衍生物外，高浓度含糖饮料废水因其高有机含量和不需复杂发酵要求而成为有前景的液态碳源，后者简化了实际应用（Xu等，2021）。先前的研究表明，使用酿酒废水（Liang等，2023）、乳品废水（Fernández-Nava等，2010）和白酒生产废水（Zhang等，2024b）作为替代碳源可有效去除氮素。这些废水在有机质组成、碳可利用性和再利用适用性方面存在显著差异。酿酒废水和白酒废水在发酵过程中产生，通常被视为碳丰富的流，用于直接或相对简单地替代传统外部碳源，研究集中在碳源替代、C/N比优化、反硝化性能和经济可行性方面。相比之下，乳品废水含有大量乳糖、蛋白质和脂肪，同时含氮量相对较高，导致C/N比不利于直接用于反硝化。因此，已探索将高C/N废水（如酿酒废水）联合利用的策略，以提高其作为外部碳源的适用性。可乐废水与上述流存在根本差异，因为它来源于非发酵过程，用于生产含糖饮料。可乐废水的有机组分由残余糖分和饮料加工过程中形成的各种糖衍生产物组成。因此，高总有机碳含量并不一定意味着高碳生物可利用性，这对直接作为外部碳源再利用提出了独特挑战。因此，可乐废水的资源回收需要考虑碳的质量，而不仅仅是总有机碳。复杂有机化合物的存在可能降低易生物降解碳的比例，凸显了需要进行针对性预处理以提高碳生物可利用性的必要性，从而增强可乐废水作为外部碳源的适用性。为克服这些限制，先前的研究采用水解和发酵策略将复杂有机化合物转化为更易生物降解的化合物，特别是挥发性脂肪酸（Fu等，2022；Tang等，2019）。然而，现有针对饮料废水衍生碳源的研究主要集中于碳源替代效率和反硝化性能，关于预处理诱导的有机质转化如何影响碳源质量和生物脱氮性能的研究仍然有限。鉴于此，本文选择可乐废水作为含糖饮料废水的代表，评估其作为生物反硝化替代碳源的可行性。开发了一种将选择性预处理与高级氧化相结合的顺序升级策略，以改善可乐废水的理化性质和碳质量。系统评估了升级废水的反硝化性能，并与未处理废水及葡萄糖（传统碳源）进行了比较。总体而言，有机质转化、碳质量改善和反硝化性能的综合评估为饮料废水增值提供了新的见解，阐明了碳源升级与生物脱氮性能之间的关联。章节片段可乐废水表征可乐磷酸废液来自当地饮料生产设施，作为含糖饮料废水的代表。废水来源于可乐浓缩液制造过程，该过程经两次连续过滤步骤后产生混合废水，如图1所示。对废水进行表征以评估其化学成分及作为生物反硝化碳源的适用性。傅里叶变换红外……可乐废水表征在评估可乐磷酸废液作为反硝化替代碳源之前，对其理化特性进行了评估。该滤液表现出高磷浓度、低生物可降解性和复杂的有机组成。这些特征共同对直接使用构成了挑战，同时也提供了资源回收的机会。该滤液为深棕色、粘稠液体，具有特征性的芳香气味。其COD为……结论本研究评估了一种集成预处理策略，用于回收含糖饮料废水作为生物反硝化的外部碳源。选择了B/C比为0.22的可乐废水作为代表性案例。开发了一种耦合预处理工艺，将聚合物离子交换树脂的选择性除磷与基于UV/H?O?的高级氧化相结合，以改善废水的组成适用性和可生物降解性，用于……CRediT作者贡献声明徐燕霞：撰写——初稿，获取资金，概念化。陈育兵：撰写——初稿，调查，形式分析，数据整理。宋亮：撰写——初稿，调查，形式分析。钱媛媛：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。陈梦凡：数据整理。孙明：数据整理。杨雪晶：撰写——审阅与编辑，概念化。利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争财务利益或个人关系。徐燕霞 | 陈育兵 | 宋亮 | 钱媛媛 | 陈梦凡 | 孙明 | 杨雪晶